双波长单纵模窄线宽光纤激光技术研究

摘要

双波长单纵模光纤激光器是一种双频光纤激光器，除了具有光束质量高、振荡阈值低、转换效率高、温度稳定性好等光纤激光器的传统优点之外，还具有频差大、调谐方便等优势，可广泛应用于激光干涉测量、光纤传感、高速相干光通信和激光雷达探测等领域。尤其作为合成波绝对距离干涉测量系统的光源，为了实现长距离测量，必须保证双频激光具有足够窄的谱线宽度以获得足够长的相干长度。因此，开展双波长单纵模窄线宽光纤激光技术研究具有重要的意义。 本论文设计了双波长单纵模窄线宽掺镱光纤激光器(YDFL)研究方案，即采用光纤偏振分束器并联双光纤布拉格光栅(FBG)实现双波长振荡，并利用未泵浦掺镱光纤(UPYDF)作为饱和吸收体实现单纵模选择，从而实现双波长单纵模激光振荡；在此基础上，采用光外腔弱反馈法，设计了两种不同外腔反馈结构以压窄激光线宽。论文的主要研究内容包括以下几部分： 首先，概述了双波长单纵模窄线宽光纤激光器的研究现状，分析了掺镱光纤的特性和YDFL的工作原理；在分析多波长选择方法、单纵模选择方法和激光线宽压窄方法的基础上，设计了双波长单纵模窄线宽YDFL研究方案，理论计算了增益光纤的最佳长度、未泵浦掺镱光纤的最小长度和内嵌UPYDF光纤环臂长差的极限值；理论分析表明：当外腔长度在特定范围内，外腔反射率越大，激光线宽越窄。 其次，建立了双波长单纵模YDFL实验系统，实验研究结果表明：这种双波长单纵模光纤激光器可以稳定振荡输出；通过控制偏振控制器可以切换激光器双波长或单波长运转，其开关特性良好；双波长单纵模激光器的阈值泵浦功率为58.52mW;双波长激光均为线偏振光。 第三，建立以FBG反馈和耦合器分光反馈的两种不同外腔结构的驻波腔1064nm单频窄线宽YDFL系统。对于FBG反馈激光系统，当作为激光器内外腔镜的两个FBG的中心波长、带宽等参数一致时，可以实现线宽压窄，实验结果表明：当外腔长为160.3cm时，激光线宽从0.301pm压窄为0.273pm，线宽压窄比为9.11%；对于耦合器分光反馈激光系统，实验结果表明，当外腔长为320.2cm，激光线宽从0.301pm压窄为0.258pm，线宽压窄比为14.37%。 综上所述，本论文设计的基于FBG反馈和耦合器分光反馈的双波长单纵模YDFL线宽压窄方案是可行的，该项研究为今后进一步开展双波长单纵模窄线宽光纤激光技术研究与应用奠定了坚实的基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 双波长单纵模窄线宽光纤激光器研究现状

1.2.1 双波长单纵模光纤激光器研究现状

1.2.2 窄线宽光纤激光器研究现状

1.2.3 双波长单纵模窄线宽光纤激光器研究现状

1.3 论文主要研究内容

2 光纤激光系统理论分析

2.1 光纤激光器的基本组成

2.2 光纤激光器的分类

2.3 掺杂光纤特性分析

2.3.1 铒（Er3+）能级结构

2.3.2 钕（Nd3+）能级结构

2.3.3 镱（Yb3+）能级结构

2.4 掺镱光纤激光器理论分析

2.5 本章小结

3 双波长单纵模窄线宽掺镱光纤激光器方案设计

3.1 双波长选择方法理论分析

3.1.1 光纤滤波器法

3.1.2 光纤干涉仪法

3.2 单纵模选择方法理论分析

3.2.1 短腔法

3.2.2 FBG-FP法

3.2.3 内嵌光纤饱和吸收体的光纤环法

3.3 线宽压窄方法理论分析

3.3.1 基于慢光效应压窄线宽

3.3.2 基于光纤散射效应压窄线宽

3.3.3 基于光外腔反馈法压窄激光线宽

3.4 双波长单纵模窄线宽掺镱光纤激光器方案设计及仿真分析

3.4.1 双波长单纵模掺镱光纤激光器方案设计

3.4.2 双波长单纵模窄线宽掺镱光纤激光器方案设计

3.4.3 双波长单纵模窄线宽掺镱光纤激光器仿真分析

3.5 本章小结

4 双波长单纵模掺镱光纤激光器实验研究

4.1 实验系统组成

4.2 掺镱光纤特性测试

4.2.1 掺镱光纤光谱特性测试

4.2.2 确定掺镱光纤的长度

4.3 双波长单纵模激光输出特性研究

4.3.1 光谱特性

4.3.2 开关特性

4.3.3 功率特性

4.3.5 偏振特性

4.3.6 波长特性

4.3.7 线宽特性

4.4 本章小结

5 单频窄线宽掺镱光纤激光器特性实验研究

5.1 单频掺镱光纤激光器实验研究

5.1.1 光谱特性

5.1.2 功率特性

5.1.3 模谱特性

5.1.4 波长特性

5.1.5 线宽特性

5.2 单频窄线宽掺镱光纤激光器特性实验研究

5.2.1 FBG反馈单频窄线宽掺镱光纤激光器特性实验研究

5.2.2 耦合器分光反馈单频窄线宽掺镱光纤激光器特性实验研究

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

6 总结及展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献